加速度计的伺服回路及加速度计

技术领域

本申请涉及电子器件领域，具体而言，涉及一种加速度计的伺服回路及加速度计。

背景技术

加速度计是实现载体角速率测量的核心关键部件。在隧道挖掘、矿山开采、智慧交通、国防装备和航空航天等领域，载体(钻探机构、车辆、无人机、人员、制导弹药等)运动过程中存在长时、高速、高过载等恶劣环境条件，迫切需要一种抗高过载、高精度、有效适应恶劣环境、长期免标定的加速度计。

现有的加速度计主要分为液浮摆式加速度计、振弦式加速度计、振动惯性加速度计、振梁式加速度计、微机械加速度计、石英挠性加速度计等类型。其中石英挠性加速度计是基于伺服闭环力矩平衡原理，具有更优秀的测量精度、线性度、长期稳定性和动态特性，深受国内外研究结构和学者的重视。其不仅应用于惯性导航和制导等领域，还广泛应用于低频振动校准、主动负刚度隔振、微重力生命研究和微重力物理研究等领域。

但是，受石英晶体自身材料限制，目前批产的石英挠性加速度计分辨率最高为1μg，很难再继续提高，且其抗过载能力较低。对于重力测量和重力梯度测量等微小加速度信号测量、高过载制导炮弹等领域，传统石英挠性加速度计已难以实现。因此，亟需开展相关替代产品或性能提升关键技术研究，为实现高精度惯性导航与制导提供技术支撑。

随着材料科学和电子信息技术发展，蓝宝石晶体以其优异的材料特性成为替代石英晶体的首选材料。国内外已有蓝宝石晶体为基础的加速度计和挠性加速度计，但还未见到成熟产品。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种加速度计的伺服回路及加速度计，以至少解决加速度计测量不精确的技术问题。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种加速度计的伺服回路，包括：摆片偏转角检测模块和信号处理模块。摆片偏转角检测模块包括差动电容检测电路，所述差动电容检测电路包括：两个完全对称的检流电路，被配置为采用差动不平衡电桥检测方法检测所述加速度计的表头输出的电容信号；差分放大电路，被配置为将所述电容信号加载在频率大于预设频率阈值的正弦载波信号上；其中，所述摆片偏转角检测模块还被配置为对所述正弦载波信号进行调制；信号处理模块，被配置为对调制后的所述正弦载波信号进行解调，滤除调制后的所述正弦载波信号中的分量大于预设频率阈值的分量和噪声大于预设噪声阈值的噪声，得到表示加速度信息的测量值。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种加速度计，包括上述伺服回路。

在本申请实施例中，采用两个完全对称的检流电路和一个差分放大电路检测并调制加速度计的表头输出的电容信号，解决了加速度计测量不精确的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的多梁单岛互补式蓝宝石挠性数字加速度计系统的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的一种加速度计的伺服回路的结构示意图；

图3是根据本申请实施例的另一种加速度计的伺服回路的结构示意图；

图4是根据本申请实施例的差动电容检测电路的结构示意图；

图5是根据本申请实施例的功率放大电路的结构示意图；

图6是根据本申请实施例的乘法器相敏解调电路的结构示意图；

图7是根据本申请实施例的系统开环模型辨识框图；

图8是根据本申请实施例的采用Smith预估控制的电路结构示意图；

图9是根据本申请实施例的误差补偿方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本申请实施例，提供了一种加速度计，具体的为一种蓝宝石挠性数字加速度计。图1是根据本申请实施例的多梁单岛互补式蓝宝石挠性数字加速度计的结构示意图，如图1所示，蓝宝石挠性数字加速度计包括机械表头10和伺服回路20。

机械表头10主要包括蓝宝石摆片11、力矩线圈12、永磁体13和差动电容定极板14。蓝宝石摆片11和力矩线圈12共同用于检测质量，蓝宝石摆片11两侧镀金面作为动极板，与差动电容定极板14共同构成差动电容传感器，力矩线圈12和永磁体13共同作为执行器。

伺服回路20主要有摆片偏转角检测电路23、信号处理模块22和反馈驱动模块21构成。蓝宝石摆片敏感输入加速度并产生偏转，导致差动电容传感器产生相应的容值变化，伺服回路20通过检测差动电容的变化解算出摆片偏转角信息，然后信号处理模块22利用摆片偏转角计算出反馈量，并驱动反馈驱动模块21迫使蓝宝石摆片回到平衡位置，实现加速度计的闭环控制，信号处理模块22所计算出的反馈量就代表了被测加速度的信息。

当有加速度a施加在加速度计上时，在蓝宝石挠性平梁的根部会产生一个惯性力矩，该惯性力矩可以表示为：

M

其中，M

在惯性力矩的作用下，检测质量偏离原来的平衡位置，两个传感电容的容值发生改变。伺服回路检测到电容的变化，会产生反馈电压加载在力矩器线圈上，流过力矩器线圈导线的电流可以表示为：

其中，v表示反馈电压；R

通电的力矩器线圈在磁场中受到洛伦兹力的作用，产生一个与加速度反向的恢复力矩：

M＝Fl＝B

其中，M表示恢复力矩；F表示洛伦兹力；l表示力矩器线圈中心至支承轴的距离；B

恢复力矩驱动检测质量向加速度相反的方向移动，当加速度力矩和恢复力矩相等时，检测质量回到平衡位置，加载在力矩线圈上的反馈电压即代表了加速度的信息，反馈电压与加速度的关系为：

本实施例中的伺服回路将在下述实施例详细描述，因此，此处不再赘述。

实施例2

根据本申请实施例，提供了一种伺服回路，如图2所示，该伺服回路可以包括摆片偏转角检测模块23和信号处理模块22。

摆片偏转角检测模块23包括差动电容检测电路，所述差动电容检测电路包括：两个完全对称的检流电路，被配置为采用差动不平衡电桥检测方法检测所述加速度计的表头输出的电容信号；差分放大电路，被配置为将所述电容信号加载在频率大于预设频率阈值的正弦载波信号上。其中，所述摆片偏转角检测模块还被配置为对所述正弦载波信号进行调制。

在一个示例中，所述差动电容检测电路还包括两个反馈电阻，分别连接在所述两个完全对称的检流电路和差动电容之间，每个所述反馈电阻的精度大于预设精度且温漂小于预设温漂。

在一个示例中，信号处理模块22被配置为对调制后的所述正弦载波信号进行解调，滤除调制后的所述正弦载波信号中的分量大于预设频率阈值的分量和噪声大于预设噪声阈值的噪声，得到表示加速度信息的测量值。

在一个示例中，所述信号处理模块包括：乘法器相敏解调电路，被配置为将调制后的所述正弦载波信号与同频正弦参考信号相乘，得到相乘后的信号，其中所述相乘后的信号包括一个频率低于预设频率阈值的分量和两个频率高于预设频率阈值的分量；低通滤波器，被配置为滤除频率高于预设频率阈值的分量，分离出频率低于预设频率阈值的分量。

在一个示例中，所述同频正弦参考信号的输入端串联有一滞后移相电路，所述滞后移相电路用来调节所述同频正弦参考信号和调制后的所述正弦载波信号之间的相位差，使所述相位差满足预设的条件。

在一个示例中，所述信号处理模块还被配置为：采用开环模型辨识的方式获取所述加速度的表头中的摆片的传递函数；基于所述传递函数确定所述信号处理模块中的数字控制器的参数；基于所述数字控制器的参数，对所述加速度计的表头模型进行补偿。

在一个示例中，所述信号处理模块还被配置为：在外界没有输入加速度、所述摆片处于自然下垂的状态下，断开所述数字控制器，通过FPGA输出激励信号驱动力矩器，得到响应曲线，以获取所述传递函数。

在一个示例中，所述信号处理模块还被配置为：当所述加速度计的表头的被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当所述被控量接近所述设定值时，引入积分控制，以消除静差。

在一个示例中，所述信号处理模块还包括预估器，所述预估器被配置为：将延时后的所述被控量超前反映到所述数字控制器的输入端，以去除纯滞后干扰。

在一个示例中，所述传递函数是基于检测质量相对零位的转角、检测质量的转动惯量、空气阻尼系数、检测质量的弹性系数、外加力矩、摆性、检测质量的固有自振角频率、以及检测质量的阻尼系数确定的。

针对传统模拟伺服回路无法满足高分频率处理要求且与现在主流的数字测量系统难以直接兼容等问题，研究出多梁单岛蓝宝石挠性加速度计信号提取机理，建立加速度计的机电耦合模型。实现包含差动电容、相敏解调、AD/DA转换、功率放大和高速数据处理等模块于一体的加速度计集中控制采集方案，设计了小型高精度集中处理电路。

实施例3

根据本申请实施例，提供了一种伺服回路，如图3所示，伺服回路可以包括摆片偏转角检测模块23、信号处理模块、功率放大电路210、载波信号发生模块206，其中，信号处理模块包括相敏解调单元221和数控单元222。

由于加速度计表头内差动电容的容值仅为几十皮法，电容的变化可能达到fF量级，极易受寄生电容的影响，导致输出信号的信噪比非常低。针对这一特点，本实施例的伺服回路中电容检测电路采用了差动不平衡电桥检测方法。利用DDS算法，通过FPGA产生高频正弦载波信号，将微弱的电容变化加载在高频载波上，对载波的幅值进行调制，实现微弱电容信号的测量。采用差动的形式减小了共模噪声和寄生电容的影响。乘法器相敏解调电路对调制信号进行解调，滤除信号中的高频分量和高频噪声，分离出代表加速度信息的低频分量。增加高精度的AD和DA环节，将传统的模拟控制模块数字化，由数字通讯接口直接输出测量值，可直接应用在数字测量系统中。最后，通过功率放大电路提高反馈电压信号的驱动能力，实现加速度计伺服系统的闭环反馈控制。

1)摆片偏转角检测模块。

摆片偏转角检测模块23包括差动电容检测电路。双载波检测要求两路载波高度对称，实现难度大，因此，本实施例中选择基于单载波桥式调制解调法设计了差动电容检测电路。差动电容检测电路原理如图4所示，包括一个产生高频载波的信号源，两个完全对称的检流电路，一个差分放大电路，实现差动电容信号的幅值调制。本实施例中的差动电容检测电路采用交流桥调制解调型电容检测电路，具有精度高、信噪比高的效果。

在差动电容的动极板上施加高频载波电压V

为提高电路的精度和信噪比，在本实施例中选用低噪声、低漂移的精密运算放大器；同时，为抑制电阻热噪声，选用高精度低温漂的反馈电阻来减小其引入的噪声电压。反馈电阻R

对传感电容的寄生电容和寄生电阻模型分析可知，传感电容C

差分放大器同相输入端的电压与载波的关系为：

上式可以化简为如下形式，并最终确定载波频率f

其中，传感电容C

由于在本实施例中采用了两个完全对称的检流器，差分放大器反相输入端的信号V

信号V

本实施例中，采用两个完全对称的检流器和差分放大电路，消除了共模干扰和寄生电容的影响，使得检测出的信号更加精确。此外，本实施例中，采用高精度低温漂的反馈电阻，使得可以滤除噪声，提高检测出的信号的精度。

2)功率放大电路

由DA输出的加速度电压反馈信号加载在力矩线圈上，转化为力矩线圈内呃电流，力矩线圈位于力矩器工作气隙内的均匀磁场中，在磁场的作用下，通电的力矩线圈受到的洛伦兹力：

F＝B

式中，B

力矩线圈受到的洛伦兹力在挠性平梁的端部将产生一个与加速度反向的恢复力矩：

M＝Fl＝B

式中，l表示力矩线圈中心至支承轴的距离，恢复力矩驱动检测质量重新回到平衡位置，恢复力矩的大小与流过力矩线圈导线的电流i成正比，为保证加载在线圈两端的加速度电压反馈信号能够产生足够大的电流，在DA输出端增加功率放大电路来提高加速度电压反馈信号的驱动能力，功率放大电路原理如图5所示。

其中，负反馈放大电路的功放的输出电压可以表示为：

为避免使用运放的自激震荡，需满足

式中，R

作用在挠性平梁根部的恢复力矩可以表示为：

恢复力矩的大小与加速度电压反馈信号成正比，恢复力矩的方向与加速度电压反馈信号的极性相关。

3)信号处理模块。

信号处理模块包括相敏调节单元221和数控单元222。

差动电容检测电路调制后的信号V

本实施例的相敏调节单元221采用乘法器检波来解调信号，乘法器相敏解调电路原理图如图6所示。

乘法器相敏解调是将正弦调制信号

由上式可知，相乘后信号V

此外，低频分量的绝对值大小还与调制信号和同频参考信号间的相位差有关，因此，在同频参考信号的输入端串联一个滞后移相网络，来调节同频参考信号和调制信号间的相位差，使其满足

数控单元222包括DA单元、AD单元、数字控制器等组件。DA和AD的具体位数和性能，根据具体的指标来确定，可以利用单片FPGA实现整体的控制解算。FPGA作为数字信号处理模块的核心控制器，完成复杂控制算法，并与导航计算机进行通信。

数字控制器需要清楚模型的具体数学表达式，才能依据表头的特点，设计合适的控制器参数，对表头模型进行补偿。在加速度计闭环系统中，除机械表头和数字控制器外的其他环节均为比例环节，不影响系统阶次，因此表头模型的准确性对数字控制器的设计非常重要。

根据蓝宝石摆片传递函数，如果能获得摆片的材料、尺寸等信息就可以计算得到传递函数H(s)，但实际摆片难以获得相关参数，且每个表头的真实参数因组件的制作和安装误差也会与理论值之间存在差异。由于模型的结构和阶数已经确定，可采用开环模型辨识的方式获取摆片传递函数。

在保证外界没有输入加速度、蓝宝石摆片处于自然下垂的状态下，断开数字控制器，通过FPGA输出激励信号驱动力矩器，经驱动模块、表头组件、采集模块后得到响应曲线，系统开环模型辨识框图如图7所示。

为保证摆片在平衡位置附近小幅度偏转，激励信号强度不能太大，但也使得响应信号容易被噪声湮没。为提高模型辨识准确性，采取多次重复试验取平均的方式来减小响应信号的随机误差。将重复试验得到的激励信号x(t)和响应信号y(t)上传至上位机。本实施例，经分析可知100kHz采样率下的系统纯延时为24个采样节拍，通过MATLAB系统辨识工具箱可获得开环系统传递函数。

广义表头处于过阻尼状态，开环响应缓慢，需要设计控制器来对表头进行补偿，使闭环系统处于临界阻尼状态，提高系统带宽；提高带宽后，噪声的积分上限也随之增大，系统稳定性降低。因此，本实施例中的数字控制器有利于在提高带宽的同时保障系统的稳定性。比例积分微分控制算法是目前实际工程中应用最为广泛的控制算法，结构简单、稳定性好、调节方便，满足本实施例的使用场景需求。

位置式PID控制器的当前输出量过去所有时刻的误差值都有关，计算量大，且若计算机出现故障时，巨大的误差累积会导致系统崩溃。增量式PID输出的是控制量的增量，由于当前输出只与最近三次的误差值有关，计算容易，且累计误差较小，是更适合本申请的离散控制器形式。

系统在设定值有大幅增减导致短时间内偏差过大时，由于积分作用，计算结果持续增大或减小，造成积分累积，致使控制量超过执行机构可能允许的最大极限控制范围，引起系统较大的超调和长时间的振荡。为了克服这一问题，本实施例引入了积分分离，当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高精度。

在开环模型辨识时发现控制系统在信号传输过程中存在纯滞后，纯滞后特性导致测量信号不能及时反映系统扰动，使系统稳定性降低，动态特性变坏，可能引起超调和振荡。针对这个问题，本申请如图8所示采用Smith预估控制，通过引入Smith预估器补偿大延迟对象的纯滞后特性，将延时后的被控量超前反映到控制器输入端，去除纯滞后干扰，提高了系统的稳定性和动态特性。

本申请针对加速度计未来发展对高精度、高可靠、免标定的需求，突破多梁单岛蓝宝石摆片的构型、互补式全数字高分辨率加速度信号解析电路设计、高精度误差补偿等关键技术，研制出多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计样机，技术成熟度达到5级，分辨率优于1μg，最高分辨率优于0.5μg，为实现高精度惯性导航与制导提供技术支撑。

实施例4

本实施例将详细描述伺服回路中的信号处理模块执行的误差补偿方法。图9是根据本申请实施例的表头模型的误差补偿方法的流程图，如图9所示，该方法包括以下步骤：

步骤S902，确定加速度计的静态特性。

对于蓝宝石挠性加速度计，采用输入基准轴(IA)、摆基准轴(PA)和输出基准轴(OA)来表示加速度计的三个正交方向，基准轴的方向关系用右手定则确定，用矢量式可表示为

蓝宝石挠性加速度计的输出E与沿加速度计基准轴方向作用的加速度之间的静态数学模型可用下式表达：

式中，A

加速度计简化静态数学模型为：

加速度计静态数学模型的各项系数可以通过在重力场中多点翻滚实验获得。将加速度计安装到精密电控旋转台上，旋转台转轴水平并处于0°，加速度计上电预热，待输出稳定后记录其输出值。精密电控旋转台按角度增量θ

标定因数：

偏值：

二阶非线性系数：

输入轴相对输入基准轴绕输出轴的失准角：

输入轴相对输入基准轴绕摆轴的失准角：

步骤S904，确定加速度计的动态特性。

蓝宝石挠性加速度计表头通过检测质量感知外界加速度，在惯性力的作用下产生一定的偏转角位移，该角位移与输入的加速度相关，物理模型方程可描述为：

上式经过拉氏变换得到传递函数为：

/>

式中，α表示检测质量相对零位的转角；J表示检测质量的转动惯量；C表示空气阻尼系数；K表示检测质量的弹性系数；M表示外加力矩；mL表示摆性；ω

分析不同频率信号对加速度计的影响，加速度计表头的幅频特性可表示为：

相频特性为：

根据传递函数可知，加速度计表头为典型的二阶系统，令

检测质量的固有自振角频率和阻尼系数决定了加速度计表头的谐振频率、谐振峰值和截止频率数值大小，直接影响了蓝宝石挠性加速度计的超调和测量带宽等动态性能。

步骤S906，确定合适的控制器参数，对表头模型进行误差补偿。

为了辨别新型多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计的性能优劣，通常需要从标度因数、零偏稳定性以及温度漂移等几个参数进行判断。

(1)标度因数

加速度标度因数是指加速度计输出与输入加速度的比值，该比值是根据整个输入加速度范围内测得的输入输出数据，通过最小二乘法拟合得到的直线斜率。

建立加速度计的输入输出关系的线性模型：

F

式中：F

K和F

(2)零偏/零偏稳定性

零偏是指加速度计在零输入状态下的输出，其用较长时间输出的均值等效折算为输入加速度来表示。

零偏稳定性为长时间零输入状态下的输出加速度的均方差，它表征了观测值围绕零偏的离散程度。

表示采集得到的输出平均值；

(3)输入轴失准角/交叉耦合系数

输入失准角是指加速度计处在零位时，输入轴与相应的输入基准轴之间的夹角。加速度计的输出量变化与输入基准轴的垂直方向和平行方向作用的加速度的乘积有关的比例系数，称作加速度计的交叉耦合系数，它随交叉加速度的方向而变化。

(4)温度漂移

新型多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计内部材质的弹性系数和电介质常数对温度敏感度较高，在不同温度的作用下会产生不同的温度漂移，导致电容值发生变化，继而改变加速度计的信号输出值。由于多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计系统内部有多个变量都受温度影响，若引入新的误差，将每个变量都放入系统中，则会加大解算过程中的计算量。温度补偿的主要针对零偏这项误差指标展开研究，从而建立全温范围内的数学模型。

根据新型多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计的差分电容检测原理，当加速度计处于零位状态，两梳齿电容相等：

当加速度作用时，电容的间距改变，其差值发生变化：

当x＜＜d

其中k为支撑梁的弹性系数，m为质量块的质量，

多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计的误差补偿是根据输入v与输出V之间的差来建立补偿模型，利用建立好的误差补偿模型对加速度计的输出数据进行补偿，补偿后的输出结果为v′。

根据误差分析可知，造成高精度挠性数字加速度计的误差项有很多，由于工作环境的差异，会引进不同类型的误差参数。本实施例在保证精确度的前提下力求标定过程简单易行，只考虑主要误差项，高阶的噪声不计在内，从而减小了计算量，缩短了时间。

新型多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计误差模型可以表示为：

a＝CR

其中a表示误差补偿后的加速度输出；A表示加速度计原始角速度输出；SF

将误差模型式展开为：

式中a＝[a

针对加速度计未来发展对高精度、高可靠、免标定的需求，本实施例突破多梁单岛蓝宝石摆片的构型、全数字高分辨率加速度信号解析电路设计、高精度误差补偿等关键技术，提供了多梁单岛互补式高精度挠性数字加速度计，实现了分辨率0.1μg。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。